بلبرینگ و رولبرینگ

بلبرینگ (به انگلیسی: Ball bearing) گونه‌ای از چرخنده از خانواده یاتاقان‌ها هستند که کاربرد وسیعی در ابزارهای مختلف مانند هر چیزی که میچرخد و دیسک‌های سخت رایانه و اسکیت‌ها و صنایع بزرگ و خودرو ها و موتورهای صنعتی و ....دارند.بلبرینگ شیار عمیق Deep groove ball bearingبلبرینگ شیار عمیق دارای کاربرد وسیع در صنعت و از متداولترین بلبرینگ‌ها در بازار مصرف است. در این نوع بلبرینگ‌ها یک شیار عمیق دایره ای یا شعاعی برابر با شعاع ساچمه وجود دارد. به خاطر وجود همین شیار و ایجاد سطح تماس بالا بین ساچمه‌ها و رینگ‌ها موارد استفاده زیادی دارند و توانایی تحمل بارهای شعاعی  و محوری را در هر دوجهت دارند. طراحی ساده، تفکیک ناپذیری، کارکرد مناسب در سرعت‌های بالا از خصوصیت بارز بلبرینگ شیار عمیق بوده و در انواع یک ردیفه، دوردیفه و یک ردیفه با شیار ساچمه خور به قرار زیر تولید می‌گردد. بلبرینگ‌های شیار عمیق را بصورت زیر تقسیم بندی می‌نماید:  الف-بلبرینگ شیار عمیق یک ردیفه Single row deep groove ball bearingsب- بلبرینگ شیار عمیق یکردیفه با اسلات های پر کننده Single row deep groove ball bearings with filling slotsج- بلبرینگ شیار عمیق استنلس استیل Stainless stee deep groove ball bearings د- بلبرینگ شیار عمیق دو ردیفه Double row deep groove ball bearings . بلبرینگ‌ها می‌توانند هم بارهای شعاعی و هم بارهای محوری را تحمل کنند و معمولاً در هر جا مطابق وزن بارها و یا سرعت دور زدن بار و یا حساسیت های تخصصی بار و محل نصب متغیر بوده و از انواع مختلف خانواده (خیلی بزرگ) بلبرینگها استفاده میگردد. در یک بلبرینگ بار از لایهٔ خارجی به گوی‌ یا ساچمه های میانی بلبرینگ اعمال می‌شود و از آنجا فشار به لایهٔ داخلی منتقل می‌گردد. با توجه به کروی‌بودن گوی‌ها ( ساچمه ها ) در بیشتر موارد استفاده ساده، نقطهٔ تماسشان با لایه‌های درونی و بیرونی بسیار کوچک دقیق و حساس خواهد بود، در نتیجه می‌توانند بسیار نرم حرکت کنند؛ از سوی دیگر با توجه به کوچک بودن محل تماس، اگر فشار بیش از حدی به گوی‌ها وارد شود می‌تواند موجب تغییرشکل یا خردشدن آن‌ها گردد، در اینگونه موارد می‌توان از بلبرینگ های غلطکی'یا بلبرینگ های غلطکی مخروطی‌شکلاستفاده کرد. گونهٔ خاصی از بلبرینگ‌ها، بلبرینگ‌های محوری ( یا کف گرد ) نام دارند که برای سرعت‌های پایین در نظر گرفته شده‌اند و می‌توانند بارهای محوری شدید را تحمل کنند و از نمونه‌های کاربردها آن‌ها می‌توان به کاربردشان در میزهای گردان اشاره کردیاتاقان ساچمه ای شیار عمیق یک ردیفه در مدل‌ها و سایزهای گسترده ای تولید شده که با پسوند و پیشوند‌های اضافه شده به بیرینگ که معمولا به پنج عدد اصلی اضافه شده، مشخص می‌گردند.بلبرینگ‌های شیار عمیق با سیل‌ها و پوشش‌های متنوع کاسه نمد لاستیکی و فلزی تولید شده و برای اطلاع دقیقتر از موارد کددهی و دیگر پسوندها که هر کدام مشخص کننده جزئیات فنی خاص استمثلا پسوند Z مربوط به بیرینگ‌هایی با پوشش کاسه نمدی فلزی در یکطرف یا یاتاقان با در پوش یکطرفه و 2Z کاسه نمد فلزی در دو طرف یا یاتاقان با در پوش دو طرفه می‌باشد. در این نوع بلبرینگ حلقه داخلی با کاسه نمد فاصله داشته و مورد استفادشان در حالتی ست که حلقه‌ها داخلی بلبرینگ می‌چرخد، زیرا در حالت بر عکس یعنی چرخش حلقه بیرونی  امکان نشت گریس وجود دارد.نوع بلبرینگ‌های شیار عمیق دارای سیل یا sealed bearings مربوط به کاسه نمدی با لاستیک مصنوعی ست که با واشر فلزی تقویت شده است. این نوع کاسه نمد لاستیکی در محدوده دمایی 40- تا 120+ توانایی کار داشته و با حلقه داخلی تماس دارد از این رو در کم شدن سرعت بلبرینگ اثر گذارست و با حرف اختصاری 2RS شناخته میشود.در کد دهی بیرینگ‌ها از نوع یاتاقان ساچمه ای شیار عمیق پسوندهای 2RSL,RSL یا 2RZ,RZ مشخص کننده نوع سیل با اصطکاک مالشی کمی Low fiction seal بوده که پسوندها بستگی به سری بیرینگ و اندازه آن داشته و در این ساختاربه طور کلی سرعت بیرینگ می‌تواند هم اندازه سرعت آن با کاسه نمدفلزی باشد و بدلیل فاصله کم کاسه نمد و حلقه داخلی دارای خصو صیات آب بندی مناسبی نیز می‌باشد.بلبرینگ دارای سیل NBR و لبه‌های قابلیت ارتجاعی که توسط شرکت اس کا اف توسعه داده شده و ICOS® oil sealed bearing units نامیده می شوند در کاربردهایی که نیازمند قابلیت‌هایی بیشتر از سیل‌های استاندارد معمولی می‌‍باشد، استفاده می‌گردند. در این نوع ساختار ساچمه نیازمند فضای کمتری نسبت به دو گونه قبلی بوده. نصب آسان و هزینه پایین جهت ماشین کاری شفت از مزایای عمده این نوع ساختار در یاتاقان ساچمه ای شیار عمیق می‌باشد.بلبرینگ‌هایی  که در ساختارشان جای خار وجود داشته و به bearings with snap ring groove معروف بوده که در این طرح می‌توان با جاگذاری یک خار، ساچمه را از جهت محوری در فضای مورد نظر محکم نمود و باعث کم شدن فضای اشغالی شد. قرار گیری کد N در پسوند شماره بیرینگ مشخص کننده داشتن جای خار در رینگ خارجی می‌باشد و پسوند NR نیز دارا بودن خار در بیرینگ شیار عمیق را شامل میشود .کلمهٔ بلبرینگ از دو بخش ball به معنای گوی و bearing به معنای تحمل‌کردن تشکیل شده‌است. اساس کار بلبرینگ‌ها بر این است که مانع کشیده‌شدن سطوح روی یکدیگر می‌شوند و سطح تماس را نیز کاهش می‌دهند، در نتیجه اصطکاک بین سطوح به شدت کاهش می‌یابد.رولبرینگ های مخروطی Taper roller bearingsزاویه تماس:هر قدر این زاویه بزرگتر باشد قدرت تحمل بار محوری برینگ افزایش می یابد.این برینگ دارای شیار غلتک مخروطی در حلقه بالایی و پایینی بوده و جزء غلتشی نیز در آنها به شکل مخروطی می باشند. این نوع طراحی، برینگ را برای تحمل بارهای مرکب (شعاعی و محوری) مناسب ساخته است. قدرت تحمل بار محوری به زاویه شیار حلقه بیرونی (a) بستگی دارد.رولبرینگ های مخروطی قابلیت تفکیک شدن داشته، حلقه داخلی بهمراه قفسه و غلتک ها یک جز و حلقه بیرونی دوم را تشکیل می دهد. در انواع مختلف یک ردیفه، دو ردیفه و چهار ردیفه در دو اندازه متریک و اینچی تولید می شوند. نوع مخصوص از این برینگها به TQ معروف است، دارای طراحی مخصوصی در لبه داخلی با غلتک هاست که عمل روانکاری را در آن محل تماس بهینه ساخته و نیز شیار غلتک ها بطور مخصوص جهت توزیع مناسب بار ساخته شده است. کاهش اصطکاک و افزایش قدرت تحمل بار از خصوصیات این نوع طراحی است.طراحی مخصوص دیگر جهت کاربرد در مورد بارهای سنگین نظیر رولبرینگ های پینیون در دیفرانسیل اتومبیل هاست. این رولبرینگ ها دارای بار اولیه pre load بوده و دارای مزایایی نظیر اصطکاک کم (که سایش کمتر را نیز به دنبال دارد)، زمان آب بندی کوتاهتر running in ، امکان اعمال بار بزرگتر در شروع چرخش و دقت بالاتر، هستند این طراحی مخصوص با پسوندهایی نظیر CL7C, CL7A مشخص می شوند.رولبرینگ های مخروطی، یک ردیفه Single row taper roller bearingsاین نوع رولبرینگ، قادر به تحمل بار محوری از یک جهت است. تحت بار شعاعی یک بار محوری در برینگ تولید می شود که باید مهار شود، لذا معمولاً در کاربردها از دو تا رولبرینگ مورد بحث استفاده می کنند. رولبرینگ های مخروطی یک ردیفه در دو اندازه متریک و اینچی تولید می شوند. در اندازه اینچی، حلقه داخلی به همراه قفسه غلتک ها Cone یک شماره و حلقه بیرونی Cup دارای شماره دیگر است که یک رولبرینگ مخروطی کامل شامل هر دوی این شماره ها می شود که با یک / از هم جدا می شوند. نظیر:K-11949/K-11910Cup Coneپیشوند – K علامت رولبرینگ مخروطی با ابعاد اینچی است.بار حداقل Minimum loadجهت اجتناب از مسائلی نظیر سر خوردن غلتک ها بر روی شیار خود، رولبرینگ همیشه باید تحت حداقل باری قرار داشته باشد که مقدار آن از این رابطه بدست می آید:Frm=0.02Cبار شعاعی حداقل، Frm=Nبار دینامیکی مبنا N، که در جداول مشخصات رولبرینگ ها داده می شود.اگر وزن قطعات روی برینگ به همراه نیروهای خارجی به مقدار فوق الذکر نرسید، باید به طریقی این مقدار بار ایجاد شود. یک روش متداول جهت انجام این کار در مواردیکه از دو رولبرینگ استفاده شود، ایجاد بار اولیه در برینگ با تنظیم حلقه های بیرونی یا درونی نسبت به یکدیگر است.بار دینامیکی معادل بر روی برینگ Equivalent dynamic bearing loadFa / Fr≤ e اگر P=FrFa / Fr> e اگر P=0.4Fr+YFaFr نیروی شعاعی، Fa نیروی محوریست.Y, e فاکتورهایی هستند که در جداول مشخصات رولبرینگ ها ارائه می گردند.همانگونه که قبلاً گفته شد به علت زاویه دار بودن شیار غلتک، اعمال بار شعاعی بر رولبرینگ موجب ایجاد یک بار محوری نیز می شود که در محاسبه بار دینامیکی معادل باید در نظر گرفته شود.در جدول صفحه 203 طرز محاسبه این نیرو در حالات مختلف آورده شده است. (محاسبات برای حالتی در نظر گرفته شده که لقی داخلی صفر و بار اولیه ای نیز وجود ندارد).بار استاتیکی معادل بر روی برینگ Equivalent static bearing loadPo=0.5Fr+yoFaYo فاکتوریست که در جداول مشخصات برینگها داده می شود.Fr نیروی شعاعی و Fa نیروی محوریست.اگر مقدر Po محاسبه شده کمتر از Fr شود باید Po را مساوی Fr در نظر گرفت.مجدداً باید یادآور شد که رولبرینگ های مخروطی به علت طراحی خاص خود باید به صورت دوتایی نصب شده و نسبت به یکدیگر تنظیم شوند تا به لقی یا بار اولیه یکسان برسند. مقدار لقی یا بار اولیه از اهمیت بسیار زیادی برخوردار هستند زیرا در صورت وجود لقی بیش از حد از تمامی قدرت برینگ جهت تحمل بارها نمی توان استفاده کرد و بار اولیه خیلی بزرگ نیز باعث افزایش اصطکاک و گرما می شود.ترتیب قرار دهی دو رولبرینگ مخروطیاعمال بار شعاعی بر رولبرینگهای مخروطی موجب ایجاد یک بار محوری می شود که مقدار آن در هر یک از دو برینگ از روابط ذیل حاصل می شود. رولبرینگ های مخروطی تک ردیفه، مخصوص نصب دوتایی Paired single row taper roller bearingsدر مواردیکه استفاده از یک رولبرینگ مخروطی جهت تحمل مقدار بار مورد نظر کافی نباشد و یا مجبور به موقعیت دهی شافت از دو طرف باشیم، از دو عدد رولبرینگ مخروطی آماده برای نصب استفاده می کنیم. از مزایای این تولیدات می توان نصب ساده به علت عدم نیاز به کالیبره کردن حلقه فاصله گذار، هدایت محوری دقیق شافت، تعیین لقی محوری شافت در هنگام ساخت، قدرت تحمل بار محوری و شعاعی بالا و نگهداری و روانکاری ساده تر از طریق سوراخهای تعبیه شده در حلقه فاصله گذر را نام برد.ترتیب قراردهی برینگ ها می تواند به صورت روبرو face-to-face، پشت به پشت back-to-back، یا پشت سر هم tandem، باشد. در نصب روبرو از یک حلقه فاصله گذار بین حلقه های بیرونی استفاده می شود. در این حالت بار محوری از دو طرف و از هر طرف توسط یک برینگ کنترل می شود.در طراحی پشت به پشت از دو حلقه فاصله گذار، یکی بین حلقه های بیرونی و دیگری بین حلقه های داخلی استفاده می شود. مزیت این نوع طراحی نسبت به نوع قبلی تحمل بارهای ممان است. در طراحی پشت سر هم بار محوری فقط از یک سمت، ولی توسط هر دو برینگ تحمل می شود. در این حالت نیز یک حلقه فاصله گذار بین حلقه های بیرونی و یکی بین حلقه های داخلی کار گذاشته می شود.باید به یاد داشت هر مقدار ناهمراستایی شافت در این نوع رولبرینگ های دوتایی موجب کوتاه شدن طول عمر برینگ می شود.لقی محوری داخل این رولبرینگ ها توسط حلقه فاصله گذار تعیین می شود.هرگونه تغییر در لقی های نرمال با پسوند C همراه یک عدد دو یا سه رقمی که معرف مقدار متوسط لقی داخلی برینگ است در جلوی برینگ مشخص می شود.قفسه این رولبرینگها فولادی است.بار حداقل Minimum loadحداقل باری که رولبرینگ مورد بحث همیشه باید تحت آن قرار داشته باشد تا از مشکلاتی نظیر سرخوردن غلتک ها بر روی شیار جلوگیر ی شود از این رابطه بدست می آید:Frm=0.02Cحداقل بار شعاعی ، Frm=Nبار دینامیکی مبنا در جفت رولبرینگ N، که در جداول مشخصات رولبرینگ ها داده می شود C=اگر وزن قطعات مجاور رولبرینگ به همراه نیروهای خارجی اعمال شونده بر برینگ به مقدار محاسبه شده از فرمول بالا نرسید، باید به طریقی این نیرو بر رولبرینگ اعمال شود.بار دینامیکی معادل بر روی رولبرینگ Equivalent dynamic bearing loadبرای حالتی که دو رولبرینگ به صورت روبرو جفت شده باشند داریم:Fa / Fr≤ e اگر P=Fr+Y1FaFa / Fr> e اگر P=0.67Fr+Y2FaFr نیروی شعاعی، Fa نیروی محوری و Y2 , Y1, e ضرایبی هستند که در جدول مشخصات رولبرینگها ارائه می شوند.بار استاتیکی معادل بر روی برینگ Equivalent static bearing loadPo=Fr+YoFaFa نیروی محوری، Fr نیروی شعاعی و Y0 ضریبی است که در جداول مشخصات رولبرینگ ها ارائه می شود.